永磁調速技術在發電廠設備上應用的探討

付瓊，張冠群

(神華國華永州發電有限責任公司，湖南永州425000)

永磁調速技術在發電廠設備上應用的探討

Application of speed permanent magnet technology in power plant equipments

付瓊，張冠群

(神華國華永州發電有限責任公司，湖南永州425000)

永磁調速器具有結構簡單、運行可靠、環境適應性好等特點。文中簡要介紹永磁調速器的工作原理并與其他設備進行比較，詳述永磁技術在發電廠中的應用。該技術應用投運后運行穩定，節能效果明顯。

永磁調速器；安全性；閉式水泵；風機；節能

環境污染與能源短缺是當前人類面臨的嚴峻問題，節能環保設備和技術的應用也受到普遍的重視，特別是在電廠、化工等重點耗能行業。永磁調速器是近年來節能技術上的一個創新和趨勢，主要應用于風機、泵類等離心負載調速節能方面。以往的調節方式通過節流閥門或擋板調節，損失大、效率低，閥門調節磨損或變形嚴重，導致系統故障率高，維護成本高，通過永磁調速技術的應用，可以實現降低生產運行成本和提高設備使用效率。

1 永磁調速驅動器簡介

1.1 永磁調速技術原理

永磁調速技術是近年來較受推廣的節能項目，如圖1所示，通過氣隙(磁耦間隙)傳遞轉矩的傳動設備，電機與負載設備轉軸之間無需機械連結，電機旋轉時帶動主動轉子產生感應磁場，感應磁場和永磁場之間磁性的相互吸合和排斥拉動從動轉子。通過調節從動轉子與主動轉子之間的氣隙(磁耦間隙)的大小，可以調節從動轉子所處位置的磁場大小，氣隙越小，主動轉子所處位置的磁場越強，其高速旋轉所產生的感應磁場也越強，所產生的扭矩也越大，負載轉速也越高。反之，氣隙越大，主動轉子所處位置的磁場越小，其高速旋轉產生的感應磁場也越小，產生的扭矩也越小，負載轉速也就越低〔1〕。在實際控制中，永磁調速器配套電動執行器，由電動執行器調節主動轉子與從動轉子之間的距離，就可以對轉速的實現遠程控制或自動控制，以響應系統運行的要求。

圖1 永磁調速技術原理圖

1.2 永磁技術與變頻技術的對比

在傳統的調速方式中，變頻調速應用較為廣泛。變頻調速利用電力電子技術來實現對電機轉速的調節，可以根據實際工況來進行自動調節。另外變頻技術平滑性好、精度高、波動小，根據電動機的運行特性曲線，當轉速下降后，節能效果較為明顯，可以實現電動機的軟起動，提高電動機的使用壽命。但是變頻技術對于環境溫度的要求高，高參數設備采用變頻技術還要設置帶有空調的專用房間，電子元件在高溫的情況下故障率提升，后期維護量增大，而且設備占地面積大，高壓變頻器啟動時還會產生諧波，影響其他設備的運行〔2〕。

1.3 永磁調速技術的主要優點

1)負載與電機無需機械連接來傳遞扭矩，完全是通過磁力傳遞扭矩的，因此隔離了振動的傳遞，設備的振動較小。

2)永磁調速理論上可在額定轉速0～100%范圍內對負載進行無級調速，根據需要將調節范圍設定，可相應實現轉機在一定范圍轉速之間調節。

3)可實現電機空載啟動，減少電機沖擊電流。

4)適應潮濕、粉塵、環境溫度、防爆等環境。

5)允許有一定安裝對中誤差，簡化了安裝調試。

針對以上特點，永磁調速技術是針對風機、泵負載調速節能的適用技術，具有節能、可靠等特點。結合發電廠工程實際情況，永磁調速技術若應用于水泵、風機等設備上存在一定的節能空間。

2 永磁技術在發電廠設備上的應用

2.1 在閉式水泵上的實際應用

發電廠的閉式水系統，在春、秋季節，尤其是冬季期間閉式水溫度低，富裕量大〔3〕，常采用調節閥門開度的方法來控制閉式水壓力和溫度，該方式會造成很大的節流損失，還會產生汽蝕和振動，造成設備損壞。某1 000 MW電廠閉式水系統采用1臺閉式水泵應用永磁調速裝置，另1臺閉式水泵采用常規配置作為備用，同時取消原出口調節門。

2.1.1 運行情況

該閉式水泵實際運行中，調速器以閉式水母管壓力為調節對象，設定值正常維持在0.4～0.5 MPa之間，此壓力反饋給永磁氣隙執行機構，實現轉速調節，達到控制閉式水泵流量和出口壓力的目的。

轉速變化會引起輔機振動變化，運行中測得振動值為:出力最低和最大時均為9 μm，符合要求。

運行中保持母管壓力持續的保持穩定，是永磁調速技術的關鍵，其控制邏輯如圖2所示。

該廠的實際運行情況表明，永磁調節器的工作特性也是十分平穩的。

2.1.2 節能效果

由于永磁技術是通過改變負載側的轉速來達到節能的目的，故其實際的節能效果要遜色于變頻技術〔4〕。該電廠原閉式水泵出口壓力為0.70 MPa，引進永磁技術后，維持母管壓力在0.5～0.7 MPa之間，所以其節能的效果只能在0.2 MPa的區間內，不過考慮閉式水母管壓力正常運行時，不會低于0.4 MPa，如果采用變頻技術會增大設備的投資，故采用永磁技術對節能工作是很有效的〔5〕。

圖2 永磁調速裝置控制邏輯

該廠改造前閉式泵夏季運行電流在21～22.6 A之間，閉式水壓力為0.75～0.73 MPa，日耗電約6 710～6 850 kWh；加裝永磁調速后在夏季7—9這3個月運行期間調速指令在55%左右，閉式水壓力0.68 MPa，滿足系統運行要求，水泵運行電流19.8 A，日耗電量約6 321 kWh，相對改造前降低約500 kWh/d。按照夏季運行工況95天計，可節電47 500 kWh。其他季節溫度較低時，調速指令在30%左右，閉式水壓力0.495 MPa，滿足系統運行要求，水泵運行電流14.1 A，日耗電約3 180 kWh，相對改造前降低約3 600 kWh/d，該階段每年按永磁使用270天計，可節電972 000 kWh；全年共計節電1 019 500 kWh。

2.2 永磁調速技術在引風機上的應用

2.2.1 應用背景

某電廠裝備3臺170 t/h高溫高壓煤粉鍋爐和2臺25 MW抽凝式汽輪機組及相應輔助設施，供熱能力為260 t/h。2013年脫硫系統進行爐外氨法脫硫改造，煙氣二氧化硫排放低至100 mg/Nm3。

2.2.2 2號爐節能改造

改造前，2號爐甲、乙引風機調速采用內反饋串級調速，該調速裝置目前已經淘汰，不但不節能，而且經常出現電流晃動、可控硅擊穿、爆熔斷器等調速故障現象，影響安全運行。改造后，2號爐甲、乙引風機調速改為永磁調速。在機務方面，為保證冷卻效果，增加了1個冷卻水箱、2個冷卻水泵和1個板式熱交換器，用以冷卻永磁裝置。在電氣方面，內反饋保留全速啟動裝置，在電機與風機連軸器間加裝永磁裝置，并在現場配置就地電源操作控制箱。在熱控方面，取消了原內反饋轉速調節，改為執行機構調節磁耦間隙以實現風機轉速調節，增加冷卻水泵、軸承溫度、水壓、水溫等熱工測點。爐膛負壓信號被控制系統接收和處理，然后提供到執行器。永磁轉子和導體轉子均為圓盤狀，永磁盤外徑略小于導體盤內徑，并位于導體盤套內，永磁盤與導體盤留有間隙，通過執行器推動永磁盤伸縮，調節永磁盤與導體盤的位置，達到控制傳遞扭矩的大小和轉速。整個控制系統可以自動控制，也可切換為手動方式控制。當控制系統故障時，可通過執行器手動調節。

2.2.3 節能效果對比

在對2號爐引風機永磁調速改造的同時，對脫硫系統地進行了改造，由爐內石灰石脫硫改造為爐外氨法脫硫，但脫硫項目投運后，增加了風道阻力，提高了引風機出口風壓，增加了引風機用電量，引風機單耗有所上升，因此2號爐引風機改造前、后的單耗不具有可比性。由于3臺鍋爐型號、引風機型號相同，負荷平均分配，故將改造后的2號爐與未改造的3號爐引風機單耗進行同期對比，以此比較節能效果，2014年3—8月期間對比見表1。

由表1可知，改造后的2號爐比未改造的3號爐引風機單耗下降3.649－2.829＝0.82 kWh/t (汽)。

表1 某電廠2，3號爐引風機單耗對比

3 問題及建議

3.1 響應速度相對較慢

設備啟動開始到滿出力需要一個過程，不利于事故處理。執行機構從全關到全開需要35～45 s的時間，啟動初期能到達約40%的出力，再通過運行人員手動調節出力，整個過程約1 min，因此建議2臺互為備用的設備，一臺采用永磁調速技術，保持長期連續運行，另一臺采用常規配置，起到可靠備用的目的。可每月或定期啟動運行一段時間再切換回永磁調速的設備運行，進行必要的設備輪換，確保設備的可靠備用。

3.2 永磁調速技術的冷卻方式

目前永磁調速技術有空冷和水冷2種冷卻方式。對于功率較大的電機采用永磁技術，風冷方式是否適用，是需要周密考慮和調研的。一般功率在300 kW以上的電機，建議采用水冷的永磁調節器，因為隨著負載功率的提升，調節器處的溫度會隨之升高，在高溫下磁場會發生“消磁”現象，為了保證冷卻效果，需要增加輔助系統及設備，使運行系統復雜化，且增加一定的初投資。為避免產生水費，循環冷卻水需要動力，每臺永磁調速器大約需要3 kW的電動機作為冷卻水動力，按照電費0.4元/kWh計算，年運行費用大約1萬元，因此在實際應用過程中需要考慮初投資成本及節能收益回報率。

4 結語

永磁調速技術應用于電廠，達到了調速節能的目的，且設備運行較為可靠，能夠滿足系統正常運行的需要。從長期的運行角度考慮，永磁調速技術能為電廠帶來明顯的經濟效益，在風機、水泵的應用和改造將會取得更大的突破和發展。

〔1〕趙國祥，馬文靜，曹永剛.永磁調速驅動器在閉式冷卻水泵上的節能改造〔J〕.節能，2010，29(4):41-43.

〔2〕張利民，康博.永磁調速技術的特點及其在發電廠中的應用〔J〕.電子制作，2014(21):240-241.

〔3〕呂鵬飛.某電廠閉式泵改變頻的應用〔J〕.安徽電力科技信息，2011(4):27-29.

〔4〕翟德雙.永磁調速器在凝結水泵上的節能改造運用〔J〕.中國電力，2012，45(7):45-48.

〔5〕趙勇，張春杰，王剛，等.電廠閉式水泵永磁調速器改造的經濟效益分析〔J〕.華電技術，2015，37(3):38-41.

TM621.3

B

1008-0198(2016)01-0072-03

付瓊(1980)，男，遼寧省葫蘆島市人，工程師，工學學士，長期從事火力發電廠生產運行工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.021

2015-04-17 改回日期:2015-11-19

張冠群(1984)，男，遼寧省沈陽市人，工程師，工學學士，從事火力發電廠鍋爐專業運行工作。